毛夢釵，許東升,3*

(1.上海中醫(yī)藥大學(xué)康復(fù)醫(yī)學(xué)院，上海 201203；2.中醫(yī)智能康復(fù)教育部工程研究中心，上海 201203;3.上海中醫(yī)藥大學(xué)附屬曙光醫(yī)院康復(fù)科，上海 201203)

腦卒中具有高發(fā)病率、高致殘率、高死亡率、高復(fù)發(fā)率、高經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)的特點，防治報告[1]顯示我國腦卒中發(fā)病率呈逐年上升趨勢。早期康復(fù)治療可有效改善患者運(yùn)動、感覺、執(zhí)行控制、認(rèn)知、言語及情緒等功能障礙，但仍有超過半數(shù)的患者存在后遺癥[2]，尤其是上肢運(yùn)動功能障礙，嚴(yán)重影響患者日常生活，是臨床康復(fù)研究的重點[3]。

腦卒中康復(fù)干預(yù)手段包括物理治療、中醫(yī)療法等傳統(tǒng)方法，以及神經(jīng)調(diào)控技術(shù)等新型干預(yù)手段，但尚缺乏動態(tài)、量化、客觀評價康復(fù)效果的指標(biāo)。功能性近紅外光譜成像技術(shù)(functional near-infrared spectroscopy，fNIRS)是新興的腦功能成像技術(shù)，可通過檢測大腦皮質(zhì)血氧活動水平變化間接反映神經(jīng)活動強(qiáng)度，具有良好的時間分辨率及一定的空間定位能力，同時具有功能MRI(functional MRI，fMRI)不可比擬的經(jīng)濟(jì)性和生態(tài)效度[4-5]，可用于檢測卒中后偏癱患者腦功能[6]；用于運(yùn)動領(lǐng)域評估健康受試者運(yùn)動皮質(zhì)功能也具有良好的可重復(fù)性[7]。本文從方法學(xué)角度梳理fNIRS用于評估腦卒中患者上肢運(yùn)動功能康復(fù)的常用任務(wù)態(tài)范式與指標(biāo)。

1 試驗任務(wù)設(shè)置

1.1 手部運(yùn)動任務(wù) 手部運(yùn)動任務(wù)包括抓握運(yùn)動和對指運(yùn)動。抓握運(yùn)動要求受試者以一定頻率、強(qiáng)度重復(fù)屈曲-伸展手指。2002年，KATO等[6]采用fMRI與fNIRS分別觀察腦卒中患者進(jìn)行康復(fù)抓握運(yùn)動時皮質(zhì)激活情況來驗證fNIRS運(yùn)動評估的有效性，是目前評估卒中患者手部運(yùn)動功能最常用的試驗范式。8項研究[6，8-14]通過觀察卒中患者手部抓握表現(xiàn)評估運(yùn)動功能及運(yùn)動皮質(zhì)功能恢復(fù)；除空手抓握外，部分研究[10-11]要求受試者抓握橡膠球，或使用握力計量化評估[12]。另有5項研究[15-19]采用對指運(yùn)動任務(wù)，即要求受試者以一定頻率、強(qiáng)度、順序?qū)⒛粗负推渌种敢来蜗鄬?，或敲擊鍵盤。以上研究抓握與對指運(yùn)動均采用組塊設(shè)計，任務(wù)階段與休息階段交替進(jìn)行。KASHOU等[20]對比健康受試者在抓握和對指時皮質(zhì)血氧響應(yīng)情況，發(fā)現(xiàn)2種運(yùn)動任務(wù)范式激活運(yùn)動皮質(zhì)情況并無顯著差異，且在3天的重復(fù)測量中fNIRS信號一致性良好，提示抓握與對指運(yùn)動可在fNIRS臨床應(yīng)用研究中互換使用。

1.2 前臂運(yùn)動任務(wù) 前臂運(yùn)動任務(wù)包括手肘和手腕屈伸等運(yùn)動。10項研究[21-30]通過前臂運(yùn)動評估腦卒中患者運(yùn)動皮質(zhì)血氧響應(yīng)，其中5項研究[21-25]采用手肘屈伸試驗范式，要求受試者以一定的頻率和幅度彎曲、伸展手肘[21-24]，或在機(jī)械臂引導(dǎo)下進(jìn)行被動運(yùn)動[25]；2項研究[26-27]涉及機(jī)械臂輔助引導(dǎo)的綜合上肢運(yùn)動；此外，有研究采用前臂肌肉等長收縮運(yùn)動[28]、屈腕運(yùn)動[29]或伸腕運(yùn)動想象任務(wù)[30]。試驗范式均采用組塊設(shè)計，任務(wù)階段與休息階段交替進(jìn)行。

實際臨床研究中會根據(jù)患者具體情況，選擇或調(diào)整運(yùn)動任務(wù)范式，如URUSHIDANI等[31]的研究，對1例腦卒中患者感覺運(yùn)動皮質(zhì)功能進(jìn)行動態(tài)fNIRS檢測，卒中后2個月其手指功能初步恢復(fù)，可完成手指屈曲和伸展，而對指和握拳功能尚未恢復(fù)，因此研究者以手指屈曲、伸展運(yùn)動為試驗范式進(jìn)行運(yùn)動區(qū)fNIRS觀測，發(fā)現(xiàn)患者患側(cè)運(yùn)動功能提升停滯且偏側(cè)化指標(biāo)下降，從而調(diào)整任務(wù)范式對其進(jìn)行15天的重復(fù)性經(jīng)顱磁刺激結(jié)合作業(yè)治療康復(fù)干預(yù)。LIM等[12]對腦卒中患者制定綜合任務(wù)，要求受試者越過桌面障礙物拿取盒子中目標(biāo)物，此任務(wù)需患者調(diào)動運(yùn)動計劃并執(zhí)行，均為上肢關(guān)鍵功能。

2 觀察腦區(qū)與光極配置

fNIRS測量光極所覆蓋腦區(qū)主要包括運(yùn)動區(qū)和前額葉[8，18-19，22-24，27]，也可評估顳葉及枕葉皮質(zhì)[10，18]。腦卒中患者上肢運(yùn)動功能康復(fù)研究多聚焦于運(yùn)功功能本身，亦有研究[8，10，15，22]同時測量前額葉和初級運(yùn)動皮質(zhì)的血氧響應(yīng)活動，探討鏡像療法[15]或提醒治療法[8]等運(yùn)動認(rèn)知療法對腦卒中患者運(yùn)動功能恢復(fù)的影響。除1項研究[8]檢測范圍主要覆蓋右半球外，其余大部分研究fNIRS測量覆蓋雙側(cè)皮質(zhì)，同時評估健側(cè)和患側(cè)大腦皮質(zhì)功能。觀測通道均為多通道，其中1項研究[29]除常規(guī)觀測通道(發(fā)射與接收光極之間常為3 cm間距)外，額外配置了11個短間距通道用于測量淺層生理噪聲。

由于fNIRS測量光極放置于皮膚表面，其位置的準(zhǔn)確性決定了實際觀測腦區(qū)和測量效果。12項研究[8-9，12-14，16-17，19，22，25，29，30]采用了國際10-20系統(tǒng)，1項研究[27]采用國際10-10系統(tǒng)，另1項研究[24]通過高精度相機(jī)記錄光極位置以輔助光極定位。此外，為更精準(zhǔn)地定位腦區(qū)，部分研究[8，23-26，28，31]額外通過三維定位儀進(jìn)行輔助定位和空間配準(zhǔn)。

3 數(shù)據(jù)處理

對信號進(jìn)行濾波去噪是fNIRS數(shù)據(jù)預(yù)處理的常規(guī)步驟，15項研究[8，10-12，14-19，22，26-28，30]使用帶通濾波器去除高頻和低頻噪聲。對于運(yùn)動偽跡的干擾可進(jìn)行偽跡校正處理，6項研究采用線性插值[15]或樣條插值[8，14，16，26-27]算法、4項[10-11，28，30]通過手動檢查去除運(yùn)動偽跡和壞的試次、3項[9，13，27]采用滑窗平均法、2項[10，25]采用小波算法、1項[12]通過去除5個標(biāo)準(zhǔn)差之外的數(shù)據(jù)點去除運(yùn)動偽跡、另1項[18]通過相鄰信號替代法校正運(yùn)動偽跡。此外，XIE等[27]采用獨立成分分析(independent component analysis，ICA)、主成分分析(principal component analysis，PCA)及樣條插值算法等多種綜合去噪算法進(jìn)行多次運(yùn)動偽跡去除和校正。

常規(guī)血氧時間序列分析中，因考慮血氧延遲效應(yīng)，多以任務(wù)開始后一段時間為分析時間窗口的起點，并對信號進(jìn)行了基線校正和試次平均。2項研究[13，16]以完整任務(wù)段為分析時間窗口、1項[12]增加任務(wù)結(jié)束后10 s作為分析時間。

另11項研究[10，14-15，17-18，21，23-25，30-31]以試驗任務(wù)條件卷積血流動力響應(yīng)函數(shù)(hemodynamic response function，HRF)作為預(yù)測因子，構(gòu)建一般線性模型(generalized linear model，GLM)對fNIRS信號進(jìn)行激活區(qū)檢測分析。

4 評估指標(biāo)

大部分研究以血紅蛋白濃度變化值為指標(biāo)，其中17項研究[8-9，11，13-14，16-17，19，21-22，25-31]僅基于含氧血紅蛋白(oxygenated hemoglobin，oxyHb)信號，2項[11，18]評估oxyHb和脫氧血紅蛋白(deoxygenated hemoglobin，deoxyHb)濃度變化值，1項[6]同時評估oxyHb、deoxyHb和總血紅蛋白3種信號。LIM等[12]以血紅蛋白差值(Hbdiff=HbO-HbR)判斷大腦激活情況并用于評估皮質(zhì)功能。GLM激活區(qū)檢測分析的研究中，3項[10，15，17]以權(quán)重參數(shù)β值為激活指標(biāo)，7項[14，18，21，23-25，31]以β值的統(tǒng)計量t值為激活指標(biāo)，用于評估皮質(zhì)功能。

此外，XIE等[27]通過對fNIRS數(shù)據(jù)低頻成分進(jìn)行小波變化，計算小波幅值(wavelet amplitude，WA)用以衡量皮質(zhì)激活水平。有研究定義偏側(cè)化指數(shù)[9，14，17，21，27-28，31]、半球間指數(shù)[12]或?qū)?cè)偏側(cè)化指數(shù)[13]表征健側(cè)和患側(cè)皮質(zhì)功能的平衡性，用于評估卒中后皮質(zhì)功能動態(tài)變化與恢復(fù)。不同研究對偏側(cè)化指數(shù)的定義和計算方式不同，多基于左右半球oxyHb濃度變化[9，14，28，31]，也可基于激活腦區(qū)大小[21]、激活通道數(shù)量[13]或WA指標(biāo)[27]。另1項研究[15]以鏡像指數(shù)評估鏡像療法引起的健側(cè)和患側(cè)運(yùn)動皮質(zhì)及楔前葉功能平衡。

5 主要研究結(jié)果

上肢運(yùn)動主要涉及初級運(yùn)動皮質(zhì)、感覺運(yùn)動皮質(zhì)、運(yùn)動前區(qū)、輔助運(yùn)動區(qū)、運(yùn)動感覺聯(lián)合皮質(zhì)及前額葉等腦區(qū)活動[6，8-16，19，21-27，31]。與健康受試者相比，腦卒中患者患側(cè)腦區(qū)激活弱化[8，10-11，22]，對側(cè)腦區(qū)過度激活[6，21-22]，尤其是卒中早期；提示對側(cè)運(yùn)動相關(guān)皮質(zhì)存在代償康復(fù)機(jī)制。

但LIM等[12]研究發(fā)現(xiàn)卒中患者患側(cè)感覺運(yùn)動皮質(zhì)激活高于健康對照，且伴隨著更差的運(yùn)動表現(xiàn)，提示卒中患者運(yùn)動皮質(zhì)加工效率降低，或由于病灶周圍健康腦區(qū)對損傷區(qū)域出現(xiàn)同側(cè)代償?；颊呓?jīng)過康復(fù)訓(xùn)練后，伴隨著上肢運(yùn)動功能改善，皮質(zhì)活動向損傷同側(cè)偏轉(zhuǎn)[9-10，13，15，18，22-24，31]，且能維持較長的時間[24]，實現(xiàn)神經(jīng)功能重建。

6 多模態(tài)記錄

fNIRS基于光學(xué)檢測，不會與電磁場產(chǎn)生干擾，可兼容其他技術(shù)進(jìn)行多模態(tài)檢測。研究[9，15，21-22，29]在使用fNIRS觀測的同時，以肌電圖(electromyography，EMG)記錄受試者運(yùn)動時外周肌電活動；另有研究[10-12，15，30]采用fNIRS-腦電波同步記錄皮質(zhì)電活動和血氧變化，更全面地評估運(yùn)動任務(wù)中大腦活動狀態(tài)；KHAN等[29]同時兼容經(jīng)顱直流電刺激(transcranial direct current stimulation，tDCS)-fNIRS-EMG技術(shù)，用以優(yōu)化單一tDCS技術(shù)的康復(fù)干預(yù)方案。

7 小結(jié)與展望

臨床研究中不同的試驗范式、數(shù)據(jù)處理方法和評估指標(biāo)均會對fNIRS研究結(jié)果造成影響，所獲臨床闡釋也可能有所不同，提示研究者需更加重視fNIRS應(yīng)用于腦卒中康復(fù)研究中的標(biāo)準(zhǔn)化問題，本文所涉及的部分研究方法學(xué)梳理詳見表1。

表1 基于fNIRS評估腦卒中患者上肢運(yùn)動功能康復(fù)的代表性研究方法學(xué)梳理

今后關(guān)于fNIRS腦卒中康復(fù)研究建議注意以下幾項：①應(yīng)詳細(xì)報告fNIRS參數(shù)、試驗范式參數(shù)設(shè)置與數(shù)據(jù)處理過程及參數(shù)設(shè)定；②為彌補(bǔ)fNIRS顱外記錄所帶來的定位缺陷，應(yīng)使用10-20系統(tǒng)輔助光極定位，并使用三維定位儀記錄光極和通道位置，與標(biāo)準(zhǔn)腦配準(zhǔn)后形成更準(zhǔn)確的空間定位；③根據(jù)受試者實際情況選擇合適的試驗任務(wù)、試驗次數(shù)及任務(wù)時長；④關(guān)于fNIRS數(shù)據(jù)處理，建議將運(yùn)動偽跡校正和信號濾波納入常規(guī)預(yù)處理流程，運(yùn)動任務(wù)易伴隨較大幅度的身體運(yùn)動，在信號采集過程中易引入運(yùn)動偽跡，應(yīng)在后期數(shù)據(jù)處理時重視去除運(yùn)動偽跡，根據(jù)數(shù)據(jù)噪聲情況選擇合適的運(yùn)動偽跡校正方法。

期望本文能為臨床工作者開展fNIRS腦卒中運(yùn)動康復(fù)研究提供參考，共同推進(jìn)fNIRS的規(guī)范性和標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)用。